Nové systémy olověných akumulátorů

Většina bateriových systémů umožňuje přijatelně rychlé nabíjení v délce přibližně jedné hodiny. Energii lze také v přibližně stejné době vyčerpat, to znamená, že časy nabití a vybití mohou být podobné. Olověné akumulátory jsou unikátní tím, že je lze velmi rychle vybít, ale k úplnému nabití potřebují více než 14 hodin. Kromě toho vyžadují pravidelné vyrovnávací nabíjení k desulfataci elektrod a nápravě dalších problémů.

Pomalé nabíjení souvisí s tvorbou a rozkladem síranu olovnatého na záporné elektrodě, která je z čistého olova. Při vybíjení se síran olovnatý lepí na její povrch a při nabíjení se opět uvolňuje. Jedná se o pomalý proces a při snaze nabíjení urychlit nemají nadbytečné elektrony kam jít, což vede ke vzniku vodíku a ztrátě vody. Jak baterie stárne, krystaly síranu olovnatého se na elektrodu přilepují stále pevněji, čímž se schopnost nabití baterie ještě více snižuje.

Kladná elektroda také obsahuje síran olovnatý, ten ale napomáhá rychlému nabíjení. Je tedy zřejmé, že hlavním problémem olověných akumulátorů je záporná elektroda. Nové systémy olověných akumulátorů se snaží tento problém vyřešit přidáním uhlíku do této elektrody. A výsledky jsou slibné.

Moderní akumulátory na bázi olova a uhlíku (Advanced Lead-carbon)

Vědci roky ví, že hromadění síranu brání klasickému olověnému akumulátoru v poskytování dlouhodobého výkonu; částečné nabíjení a stárnutí jsou hlavními viníky, protože záporná olověná elektroda není dostatečně očištěna. Moderní systémy na bázi olova a uhlíku (ALC = advanced lead-carbon) řeší tento problém přidáním uhlíku na negativní elektrodu (katodu). Z baterie se tak stává kvazi-asymetrický superkapacitor, čímž se zlepšuje její chování při nabíjení a vybíjení.

Na obrázku 1 je znázorněn článek klasického olověného akumulátoru se zápornou elektrodou z olova, která je následně nahrazena uhlíkovou elektrodou, čímž lze využít kvality superkapacitoru.

Obrázek 1: Klasický olověný akumulátor upravený na moderní baterii na bázi olova a uhlíku.
Záporná elektroda je nahrazena uhlíkovou elektrodou, která poskytuje vlastnosti superkapacitoru.
Zdroj: Advanced Lead-Acid Battery Consortium (ALABC)

ALC baterie se testují jako náhrada klasických startovacích baterií u systémů start-stop a u 48V mikrohybridních systémů a částečných hybridních systémů (dobíjení při brzdění apod.). Rychlé dobíjení při regenerativním brzdění je rozhodující výhodou těchto baterií, což je pro běžné olověné akumulátory těžko splnitelný úkol. ALC baterie je sice větší a těžší než Li-ion, ale její pořizovací cena je nízká, pracuje v teplotách pod bodem mrazu a nepotřebuje aktivní chlazení, což jsou výhody, které Li-ion baterie nemůže poskytnout. Na rozdíl od běžného olověného akumulátoru, ALC baterie s olovem a uhlíkem umí pracovat ve stavu nabití od 30 do 70 %, aniž byste se museli strachovat, že dojde k sulfataci. Životnost ALC baterie má být delší než životnost běžného olověného akumulátoru, ale nevýhodou je rychlý pokles napětí při vybíjení, což připomíná právě chování superkapacitoru.

Firefly Energy

Kompozitní materiál elektrody baterie značky Firefly Energy je založen na obměně olověného akumulátoru. Výrobce tvrdí, že tato baterie je lehčí, má delší životnost a umožňuje větší aktivní využití materiálu než současné systémy olověných akumulátorů. Je také jednou z mála olověných baterií, která dokáže delší dobu fungovat ve stavu částečného nabití. Baterie má na záporných destičkách elektrody s uhlíkovým aerogelem, čímž dosahuje výkonu srovnatelného s NiMH, ale při nižších výrobních nákladech. Firefly Energy byl vedlejším produktem společnosti Caterpillar, ale v roce 2010 zkrachoval. Společnost byla později oživena jako samostatný podnik. V současnosti vyrábí firma Firefly International Energy v USA omezené množství baterií pod značkou Oasis.

Altraverda Bipolar

Podobně jako u baterie Firefly Energy také u baterie Altraverda je základem olovo. Pro mřížku je použita patentovaná keramická struktura se suboxidem titanu nazývaná Ebonex® a je použit separátor s vázaným elektrolytem (AGM). Elektroda obsahuje částečky Ebonexu® v polymerové mřížce, která na svém vnějším povrchu drží tenkou fólii z olověné slitiny. S měrnou hustotou energie 50-60 Wh/kg je tato baterie srovnatelná s NiCd a měla by být vhodná pro vysoké napětí. Altraverda sídlí ve Velké Británii a spolupracuje se společností East Penn v USA.

Axion Power

Axion Power e3 Supercell je hybridní baterie / superkapacitor, kde kladná elektroda je vyrobena z obvyklého oxidu olovičitého a záporná elektroda je z aktivního uhlíku. Postup sestavení akumulátoru je podobný jako u olověného akumulátoru. Baterie Axion Power nabízí rychlejší nabíjení a při opakovaném hlubokém vybití delší životnost než běžný olověný akumulátor. Tím se této baterii otevírají dveře k systémům start-stop u mikrohybridních aut. Kombinace olova a uhlíku snižuje obsah olova na záporné elektrodě, což vede ke snížení hmotnosti o 30% v porovnání s běžnými olověnými akumulátory. To však snižuje i měrnou hustotu energie na 15-25 Wh/kg místo 30-50 Wh/kg obvyklých pro běžné olověné akumulátory. Další nevýhodou je prudký pokles napětí při vybíjení, v čemž je určitá podobnost se superkapacitorem.

CSIRO Ultrabattery

Výrobek Ultrabattery od australské organizace CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) kombinuje asymetrický ultrakapacitor s olověným akumulátorem, přičemž zde najdeme určité podobnosti s moderními bateriemi na bázi olova a uhlíku, které již byly popsány výše. Kondenzátor zvyšuje výkon a životnost baterie tím, že funguje jako vyrovnávací obvod během nabíjení a vybíjení baterie. Tím se prý prodlouží životnost baterie čtyřikrát oproti běžným olověným akumulátorům, zatímco výkon se zvýší o 50 %. Výrobce dále tvrdí, že náklady jsou o 70 % nižší než u běžných baterií hybridních elektromobilů. Baterie CSIRO byly testovány v hybridních elektromobilech Honda Insight a výsledky byly označeny za pozitivní. Baterie je rovněž testována u systémů start-stop v mikrohybridních autech. Rozhodující výhodou této baterie oproti běžným olověným akumulátorům je, na rozdíl od jiných moderních akumulátorů, schopnost rychlého nabíjení. Licenci na tuto technologii vlastní Japonská společnost Furukawa Battery, která také vyrábí tuto baterii.

EEStor

Tajemná kombinace baterie a superkapacitoru si získala značnou mediální pozornost. Baterie je založena na modifikovaném keramickém prášku z titaničitanu barnatého a dosahuje měrné hustoty energie až 280 Wh/kg, tedy více než Li-ion. Vlastník dělá kolem vynálezu velké tajnosti a uveřejňuje jen omezené informace. Mezi některá dechberoucí prohlášení patří: desetina hmotnosti NiMH baterie použité v hybridním systému; žádné opotřebení při opakovaném hlubokém vybití/nabití; doba nabíjení 3-6 minut; žádný nebezpečný materiál; podobné výrobní náklady jako u olověného akumulátoru; samovybíjení v rozsahu jen 0,02 % za měsíc, zlomek oproti samovybíjení olověného akumulátoru nebo Li-ion baterie. Při testech provedených v roce 2013 nebyla zjištěna významná množství energie kvůli vysokému odporu mezi vrstvami. Výzkum dál pokračuje.

Vylepšený akumulátor se zaplavenými elektrodami (EFB)

Výrobci aut jsou si vědomi zvýšeného namáhání běžné startovací baterie, když je v režimu start-stop. Akumulátory s vázaným elektrolytem (AGM) dokáží snést funkci opakovaného startu, ale výrobci aut hledající levnější řešení přišli s vylepšeným akumulátorem se zaplavenými elektrodami označovaným EFB (enhanced flooded battery). Testy ukazují, že baterie EFB se chová lépe než běžný akumulátor se zaplavenými elektrodami, ale není tak dobrá jako baterie AGM. Zdá se, že výkonnost baterie je přímo spjata s její cenou.

Shrnutí

Odborníci jsou přesvědčeni, že hlavním omezením olověných akumulátorů je použití olova. Technologie založená na olovu má velký nevyužitý potenciál pro zlepšení výkonnosti. Vylepšení aktivního materiálu by prý mohlo odemknout tyto možnosti při dosažení hlubšího porozumění a zpřístupnění analytických nástrojů pro zkoumání tohoto fenoménu. Přidání materiálů na bázi uhlíku na zápornou elektrodu snižuje sulfataci, zlepšuje vodivost a zvyšuje schopnost nabití.

Zdroje:
Battery university: BU-202: New Lead Acid Systems [online]. [cit. 2018-01-11]. Dostupné z:
http://batteryuniversity.com/learn/article/new_lead_acid_systems